NO343241B1 - Fremgangsmåte for støping av ingot-kompositt - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte og apparatur er beskrevet for støping av et metallkomposittingot omfattende minst to separat dannede lag av én eller flere legeringer. En annulær støpeform med åpne ender har en mateende og en utgangsende og en skillevegg for å dele opp mateenden i minst to separate matekamre, hvor hvert matekammer er tilgrensende minst ett annet matekammer. For hvert tilgrensende matekammerpar mates en første legeringsstrøm gjennom et av matekammerparene inn i støpeformen og en andre legeringsstrøm mates gjennom et annet av matekamrene. En selvforstøttende overflate genereres på overflaten av den første legeringsstrømmen og den andre legeringsstrømmen bringes i kontakt med den første strømmen slik at den øvre overflaten av den andre legeringsstrømmen opprettholdes ved en posisjon slik at den først kommer i kontakt med den selvforstøttende overflaten hvor den selvbærende overflatetemperaturen er mellom liquidus- og solidustemperaturen for den første legeringen eller den bringes først i kontakt med den selvbærende overflaten hvor den selvforstøttende overflatetemperaturen er under solidustemperaturene for den første legeringen, men grenseflaten mellom de to legeringene blir deretter gjenoppvarmet til mellom liquidus- og solidustemperaturene, hvormed de to legeringsstrømmene føres sammen som to lag. De sammenførte legeringslagene blir deretter nedkjølt for å danne en komposittingot. Denne komposittingoten har en vesentlig kontinuerlig metallurgisk sammenføyning mellom legeringslagene med dispergerte partikler av én eller flere intermetalliske sammensetninger av den første legeringen i et område av den andre legeringen tilgrensende grenseflaten.

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

1. Teknisk område

Denne oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for støping av metallingotkompositter.

2. Bakgrunnsteknikk

I mange år har metallingoter, spesielt aluminium eller aluminiumlegeringsingoter, blitt produsert ved en semikontinuerlig støpeprosess kjent som direkte kokillestøping. I denne fremgangsmåte har smeltet metall blitt helt opp i toppen av en åpen form og et kjølemiddel, typisk vann, har blitt direkte anvendt på den størknende overflaten av metallet etter hvert som den trer frem av formen.

Et slikt system er vanligvis brukt for å lage store rektangulære seksjonsingoter for produksjon av rullede produkter, for eksempel arkprodukter av aluminiumslegering. Det er også et stort marked for ingotkompositter bestående av to eller flere lag av forskjellige legeringer. Slike ingoter brukes til å produsere, etter rulling, dekkark for forskjellige applikasjoner, så som hardloddingsark, luftfartøysplater og andre applikasjoner hvor det er ønskelig at overflateegenskapene er forskjellige fra det i kjernen.

Den konvensjonelle tilnærmelsen til slike dekkark har vært å varmrulle blokker av forskjellige legeringer sammen for å ”feste” de to sammen, deretter fortsette rullingen for å produsere det endelige produktet. Dette har den ulempen at grenseflaten mellom blokkene generelt ikke blir metallurgisk ren og sammenføyning av lagene kan bli et problem.

Det har også vært en interesse i å støpe lagvise ingoter for å produsere en ingotkompositt klar for rulling. Dette har typisk blitt utført ved bruk av direkte kokille (DC)-støping, enten ved samtidig størkning av to legeringsstrømmer eller sekvensiell størkning hvor ett metall størknes før det bringes i kontakt med et andre smeltet metall. Et antall slike metoder er beskrevet i litteraturen og har hatt varierende grad av suksess.

I Binczewski, US patent 4567936, utgitt 4. februar 1986, er en fremgangsmåte beskrevet for å produsere en ingotkompositt ved DC-støping, hvor et ytterlag av høyere solidustemperatur støpes omkring et indre lag med en lavere solidustemperatur. Beskrivelsen sier at det ytre laget må være ”fullstendig fast og helt” på det tidspunktet når den lavere solidustemperatur-legeringen kommer i kontakt med den.

Keller, tysk patent 844806, publisert 24. juli 1952, beskriver en enkel støpeform for støping av en lagvis struktur hvor den indre kjernen støpes før det ytre laget. Ved denne fremgangsmåten er det ytre laget fullstendig størknet før den indre legeringen kommer i kontakt med den.

I Robinson, US patent 3353934, utgitt 31. november 1967, er det beskrevet et støpesystem hvor en indre partisjon plasseres innenfor støpeformshulrommet for vesentlig å separere områder med forskjellige legeringssammensetninger. Enden av ledeveggen designes slik at den terminerer i den ”grøtaktige sonen” rett ovenfor den størknede delen av ingoten. Innenfor den ”grøtaktige” sonen er legeringen fri til å blandes under enden av ledeveggen for å danne en sammenføyning mellom lagene. Imidlertid er metoden ikke kontrollerbar på den måten at ledeveggen som brukes er ”passiv” og støpingen avhenger av kontroll av bunnlokasjonen – som indirekte reguleres av kjølesystemet.

I Matzner, tysk patent DE 4420697, publisert 21. desember 1995, er et støpesystem beskrevet med bruk av en tilsvarende indre partisjon som Robinson, i hvilken ledeveggbunnposisjonen kontrolleres for å tillate væskefaseblanding av grensesjiktsonen for å danne en kontinuerlig konsentrasjonsgradient over grenseflaten.

I Robertson et al, britisk patent GB 1174764, publisert 21. desember 1965, er en bevegelig ledevegg tilveiebrakt for å dele opp en vanlig støpebunn og tillate støping av to ulike metaller. Ledeveggen er bevegelig for ved den ene grensen å tillate metallene å bli blandet fullstendig og ved den andre grensen å støpe to separate strenger.

I Kilmer et al., WO-publikasjon 2003/035305, publisert 1. mai 2003, er et støpesystem beskrevet ved bruk av et barriereføderiale i form av et tynt ark mellom to forskjellige legeringslag. Det tynne arket har et tilstrekkelig høyt smeltepunkt slik at det forblir intakt under støpingen, og er inkorporert i det endelige produktet.

Takeuchi et al., US patent 4828015, utgitt 9. mai 1989, beskriver en fremgangsmåte for støping av to flytende legeringer i en enkel støpeform ved å danne en partisjon i væskesonen ved hjelp av et magnetfelt og føde de to sonene med separate legeringer. Legeringen som fødes til den øvre delen av sonen danner derved et skall rundt metallføden til den lavere delen.

Veillette, US patent 3911996, beskriver en støpeform som har en ytre fleksibel vegg for å tilpasse ingotformen under støping.

Steen et al., US patent 5947194, beskriver en støpeform tilsvarende den til Veilette, men tillater mer formkontroll.

Takeda et al., US patent 4498521, beskriver et metallnivåreguleringssystem ved bruk av en flottør på overflaten av metallet for å måle metallnivået og gi tilbakemelding til metallstrømningskontrollen.

Odegard et al., US patent 5526870, beskriver et metallnivåkontrollsystem ved bruk av en fjernstyrt føleprobe (radar).

Wagstaff, US patent 6260602, beskriver en støpeform som har en variabel konisk vegg for å regulere den ytre formen av en ingot.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å produsere en metallingotkompositt bestående av to eller flere lag som har en forbedret metallurgisk sammenføyning mellom de tilstøtende lagene.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for støpingen av en metallkomposittingot omfattende minst to lag dannet av én eller flere legeringssammensetninger, som omfatter tilveiebringelse av en ringformet støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende hvori smeltet metall tilsettes fødeenden og en størknet ingot ekstraheres fra utgangsenden, og temperatur-regulerte skillevegger for å dele opp fødeenden i minst to separate fødekamre, idet skilleveggene terminerer ovenfor utgangsenden av nevnte støpeform, med hvert fødekammer tilgrensende minst ett annet fødekammer, hvori for hvert tilgrensende fødekammerpar fødes en første strøm av en første legering inn i fødekammerparet for å danne et metallbasseng i det første kammeret og en andre strøm av en andre legering fødes gjennom det andre fødekammerparet for å danne et metallbasseng i det andre kammeret, idet hvert av metallbassengene har en øvre overflate, idet det første legeringsbassenget bringes i kontakt med skilleveggen mellom kammerparet for derved å kjøle ned det første legeringsbassenget for å danne en selvforstøttende overflate tilgrensende skilleveggen, og tillate det andre legeringsbassenget å komme i kontakt med det første legeringsbassenget; og som er kjennetegnet ved at det andre legeringsbassenget først bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten av det første legeringsbassenget ved et punkt hvor temperaturen av den selvforstøttende overflaten er mellom solidus- og likvidustemperaturen av den første legeringen, idet temperaturen av den andre legeringen, når den først er i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen, er større enn eller lik likvidustemperaturen av den andre legeringen og ved å opprettholde den øvre overflaten av det andre legeringsbassenget ved en posisjon under bunnkanten av den tilstøtende skilleveggen hvormed de to legeringsbassengene føres sammen som to lag og kjøler ned de sammenførte legeringslagene for å danne en komposittingot.

En utførelse av den foreliggende oppfinnelse en en fremgangsmåte for støping av et metallingotkompositt omfattende minst to lag dannet av én eller flere legeringssammensetninger. Fremgangsmåten omfatter tilveiebringelse av en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende, hvori smeltet metall tilsettes ved fødeenden og et størknet ingot ekstraheres fra utgangsenden. Skillevegger brukes for å dele fødeenden inn i minst to separate fødekamre, idet skilleveggene terminerer over utgangsenden av støpeformen, og hvor hvert fødekammer er tilgrensende til minst et andre fødekammer. For hvert par av tilgrensende fødekamre fødes en første strøm av en første legering til et av parene av fødekamre for å danne et metallbasseng i det første kammeret og en andre strøm av en andre legering fødes gjennom det andre av fødekammerparet for å danne et metallbasseng i det andre kammeret. Det første metallbassenget kommer i kontakt med skilleveggen mellom kammerparet for å kjøle ned det første bassenget slik at det danner en selvforstøttende overflate tilgrensende skilleveggen. Det andre metallbassenget bringes deretter i kontakt med det første bassenget slik at det andre bassenget først kommer i kontakt med den selvforstøttende overflaten av det første bassenget ved et punkt hvor temperaturen av den selvforstøttende overflaten er mellom solidus- og likvidustemperaturene ved den første legeringen. De to legeringsbassengene blir deretter sammenføyd som to lag og nedkjølt for å danne en ingotkompositt.

Den andre legeringen bringes først i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen når temperaturen i den andre legeringen er over likvidustemperaturen av den andre legeringen. Den første og andre legeringen kan ha samme legeringssammensetning eller kan ha forskjellige legeringssammensetninger.

Den øvre overflaten av den andre legeringen bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten av det første bassenget ved en punkt hvor temperaturen på den selvforstøttende overflaten er mellom solidus- og likvidustemperaturene ved den første legeringen.

I denne utførelsen av oppfinnelsen genereres den selvforstøttende overflaten ved å kjøle det første legeringsbassenget slik at overflatetemperaturen ved punktet hvor den andre legeringen først bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten er mellom likvidus- og solidustemperaturen.

Det er videre beskrevet heri en fremgangsmåte for støpingen av et metallingotkompositt omfattende minst to lag dannet av én eller flere legeringssammensetninger. Denne fremgangsmåten omfatter tilveiebringelse av en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende hvori smeltet metall tilsettes ved fødeenden og en størknet ingot ekstraheres fra utgangsenden.

Skillevegger brukes for å dele fødeenden i minst to separate fødekamre, idet skilleveggene terminerer over utgangsenden av støpeformen, og hvor hvert fødekammer er tilgrensende minst ett annet fødekammer. For hvert par av tilgrensede fødekamre fødes en første strøm av en første legering til et av fødekammerparene for å danne et metallbasseng i det første kammeret og en andre strøm av en andre legering fødes gjennom det andre fødekammerparet for å danne et metallbasseng i det andre kammeret. Det første metallbassenget bringes i kontakt med skilleveggen mellom kammerparet for å kjøle ned det første bassenget slik at det danner en selvforstøttende overflate tilgrensende skilleveggen. Det andre metallbassenget bringes deretter i kontakt med det første bassenget slik at det andre bassenget først bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten for det første bassenget ved et punkt hvor temperaturen på den selvforstøttende overflaten er under solidustemperaturen av den første legeringen for å danne en grenseflate mellom de to legeringene. Grenseflaten blir deretter varmet opp på nytt til en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturen av den første legeringen, slik at de to legeringsbassengene deretter føres sammen som to lag og nedkjøles for å danne en ingotkompositt.

Gjenoppvarmingen oppnås fortrinnsvis ved å tillate den latente varmen innenfor de første og andre legeringsbassengene og gjenoppvarme overflaten.

Fortrinnsvis bringes den andre legeringen først i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen når temperaturen i den andre legeringen er over likvidustemperaturen i den andre legeringen. Den første og den andre legeringen kan ha samme legeringssammensetning, eller ha forskjellige legeringssammensetninger.

Fortrinnsvis bringes den øvre overflaten av den andre legeringen i kontakt med den selvforstøttende overflaten av det første bassenget ved et punkt hvor temperaturen på den selvforstøttende overflaten er mellom solidus- og likvidustemperaturen av den første legeringen.

Den selvforstøttende overflaten kan også ha et oksidlag dannet på den. Det er tilstrekkelig sterkt til å støtte utspredningskreftene som normalt får metallet til å spre seg ut når det ikke er avgrenset. Disse utspredningskreftene inkluderer kreftene dannet ved det metallostatiske trykket av den første strømmen, og overflateekspansjonen i tilfellet hvor nedkjøling går under solidusen etterfulgt av en gjenoppvarming av overflaten. Ved å bringe den flytende andre legeringen i en første kontakt med den første legeringen mens den første legeringen fortsatt er i en halvfast tilstand, eller, og i alternativet som videre er omtalt heri, ved å sikre at grenseflaten mellom legeringene varmes opp igjen til en halvfast tilstand, dannes et distinkt, men sammenføyende grenseflatelag mellom de to legeringene. Videre betyr det faktum at grenseflaten mellom det andre legeringslaget og den første legeringen derved formes før det første legeringslaget har utviklet et rigid skall, at belastninger som dannes ved den direkte anvendelsen av kjølemiddelet på den ytre overflaten av ingoten blir bedre kontrollert i det endelige produktet, som er spesielt fordelaktig når det skal støpes legeringer som er tilbøyelige til å krakkelere.

Resultatet av den foreliggende oppfinnelsen er at grenseflaten mellom den første og den andre legeringen opprettholdes over en kort lengde av den fremtredende ingoten, ved en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturen av den første legeringen. I en særskilt utførelse fødes den andre legeringen inn i støpeformen slik at den øvre overflaten av den andre legeringen i støpeformen er i kontakt med overflaten av den første legeringen hvor overflatetemperaturen er mellom solidus- og likvidustemperaturen og at det således dannes en grenseflate som har imøtekommet dette kravet. I et alternativ som videre er beskrevet her, gjenoppvarmes grenseflaten til en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturen kort etter at den øvre overflaten av den andre legeringen bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen.

Fortrinnsvis er den andre legeringen over dens likvidustemperatur når den først bringes i kontakt med overflaten av den første legeringen. Når dette er gjort, opprettholdes grenseflateintegriteten, men samtidig er visse legeringskomponenter tilstrekkelig mobile over grenseflaten slik at metallurgisk sammenføyning er fasilitert.

Dersom den andre legeringen bringes i kontakt hvor overflatetemperaturen av den første legeringen er tilstrekkelig under solidusen (for eksempel etter at et signifikant fast skall har blitt dannet), og der er utilstrekkelig latent varme til å gjenoppvarme grenseflaten til en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturene i den første legeringen, da er mobiliteten for legeringskomponentene svært begrenset og en dårlig metallurgisk sammenføyning dannes. Dette kan forårsake lagseparasjon under den påfølgende prosesseringen.

Dersom den selvforstøttende overflaten ikke dannes på den første legeringen før den andre legeringen bringes i kontakt med den første legeringen, da er legeringene frie til å blandes og et diffust lag eller legeringskonsentrasjonsgradient dannes på grenseflaten, og gjør grenseflaten mindre distinkt.

Den øvre overflaten av den andre legeringen opprettholdes ved en posisjon under bunnkanten av skilleveggen. Dersom den øvre overflaten av den andre legeringen i støpeformen ligger over kontaktpunktet med overflaten av den første legeringen, for eksempel over bunnkanten av skilleveggen, er det en fare for at den andre legeringen kan forstyrre den selvforsterkende overflaten ved den første legeringen og til og med fullstendig re-smelte overflaten på grunn av overskudd av latent varme. Dersom dette skjer, kan det bli overstadig blanding av legeringene ved grenseflaten, eller i noen tilfeller utløp og svikt i støpingen. Dersom den andre legeringen bringes i kontakt med skilleveggen spesielt langt ovenfor bunnkanten, kan det til og med bli for tidlig nedkjølt til et punkt hvor kontakten med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen ikke lenger danner en sterk metallurgisk sammenføyning. Det er videre beskrevet her at i visse tilfeller kan det imidlertid være fordelaktig å opprettholde den øvre overflaten av den andre legeringen i nærheten av bunnkanten av skilleveggen, men noe ovenfor bunnkanten slik at skilleveggen kan virke som en oksidskummer for å forhindre oksider fra overflaten av det andre laget i å bli inkorporert i grenseflaten mellom de to lagene. Dette er spesielt fordelaktig når den andre legeringen er tilbøyelig til oksidasjon. I alle tilfeller må den øvre overflateposisjonen kontrolleres omhyggelig for å unngå problemene beskrevet ovenfor, og bør ikke ligge mer enn omtrent 3 mm ovenfor bunnenden av skilleveggen.

I alle de foregående utførelsene er det spesielt fordelaktig å bringe den andre legeringen i kontakt med den første ved en temperatur på mellom solidus- og koherenstemperaturen av den første legeringen eller å gjenoppvarme grenseflaten mellom de to til en temperatur mellom solidus- og koherenstemperaturen for den første legeringen. Koherenspunktet og temperaturen (mellom solidus- og likvidustemperaturen) ved hvilke det skjer er et mellomtrinn i størkningen av det smeltede metallet.

Ettersom dendritter vokser i størrelse i et avkjølende smeltet metall og begynner å slå inn i hverandre, bygger det seg opp et kontinuerlig fast nettverk gjennom hele legeringsvolumet. Det punktet hvor det blir en brå økning i dreiemomentkraften som trengs for å rive det faste nettverket, er kjent som ”koherenspunktet”. Beskrivelsen av koherenspunktet og dens bestemmelse kan finnes i ”Solidification Characteristics of Aluminium Alloys Volume 3 Dendrite Coherency Pg 210”.

Det er videre beskrevet heri en apparatur for å støpe metall omfattende en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende og en bunnblokk som kan passe innenfor utgangsenden og som er bevegbar i en retning langsmed aksen av den annulære støpeformen. Støpeformens fødeende er oppdelt i minst to separate fødekamre, hvor hvert fødekammer er tilgrensende til minst ett annet fødekammer og hvor de tilgrensende fødekamrene er separert ved en temperaturkontrollert skillevegg som kan tilsette eller fjerne varme. Skilleveggen avslutter ovenfor utgangsenden av støpeformen. Hvert kammer inkluderer en metallnivåkontrollapparatur slik at i tilgrensende kammerpar kan metallnivået i et kammer opprettholdes ved en posisjon over den nedre enden av skilleveggen mellom kamrene og kan, i det andre kammeret, opprettholdes ved en annen posisjon enn nivået i det første kammeret.

Fortrinnsvis opprettholdes nivået i det andre kammeret ved en posisjon under den lavere enden av skilleveggen.

Skilleveggen er designet slik at varme som ekstraheres eller tilsettes blir kalibrert slik at det dannes en selvforstøttende overflate av metall i det første kammeret tilgrensende skilleveggen og for å kontrollere temperaturen av den selvforstøttende overflaten på metallet i det første kammeret slik at det ligger mellom solidus- og likvidustemperaturen ved et punkt hvor den øvre overflaten av metallet i det andre kammeret kan opprettholdes.

Temperaturen på det selvforstøttende laget kan bli omhyggelig regulert ved å fjerne varme fra skilleveggen med et temperaturregulerende fluid som passerer gjennom en del av skilleveggen eller bringes i kontakt med skilleveggen ved dens øvre ende for å regulere temperaturen av det selvforstøttende laget.

En ytterligere utførelse av oppfinnelsen er en fremgangsmåte for støpingen av en metallingotkompositt som omfatter minst to forskjellige legeringer, som omfatter tilveiebringelse av en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende og måter for å dele fødeenden inn i minst to separate fødekamre, hvor hvert fødekammer er tilgrensende minst et annet fødekammer. For hvert tilgrensende fødekammerpar fødes en første strøm av en første legering gjennom ett av de tilstøtende fødekamrene inn i nevnte støpeform, idet en andre strøm av en andre legering fødes gjennom en annen av de tilstøtende fødekamrene. En temperaturregulerende skillevegg tilveiebringes mellom de tilstøtende fødekamrene slik at det punktet på grenseflaten hvor den første og andre legeringen først bringes i kontakt med hverandre opprettholdes ved en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturen av den første legeringen ved hjelp av en temperaturregulerende skillevegg, hvormed legeringsstrømmene føres sammen som to lag. De sammenførte legeringslagene nedkjøles for å danne en ingotkompositt.

Den andre legeringen bringes fortrinnsvis i kontakt med den første legeringen umiddelbart under bunnen av skilleveggen uten først å være i kontakt med skilleveggen.

I alle tilfeller bør den andre legeringen bringes i kontakt med den første legeringen ikke mindre enn omtrent 2 mm under bunnkanten av skilleveggen, men ikke mer enn 20 mm og fortrinnsvis omtrent 4-6 mm under bunnkanten av skilleveggen.

Dersom den andre legeringen kommer i kontakt med skilleveggen før den bringes i kontakt med den første legeringen, kan den bli for tidlig nedkjølt til et punkt hvor kontakten med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen ikke lenger danner en sterk metallurgisk sammenføyning. Selv om likvidustemperaturen av den andre legeringen er tilstrekkelig lav for at dette ikke skjer, kan det metallostatiske trykket som eksisterer forårsake at den andre legeringen fødes opp inn i rommet mellom den første legeringen og skilleveggen og forårsake støpefeileller svikt. Når den øvre overflaten av den andre legeringen er ønsket å være over bunnkanten av skilleveggen (for eksempel for å skumme oksider) må den reguleres omhyggelig og posisjoneres så nær som praktisk mulig til bunnkanten av skilleveggen for å unngå disse problemene.

Skilleveggen mellom tilgrensende fødekammerpar kan være koniske og konen kan variere langsmed lengden av skilleveggen. Skilleveggen kan videre ha en buelinjet form. Disse trekkene kan brukes til å kompensere for de forskjellige termiske egenskapene og størkningsegenskapene ved legeringene som brukes i kamrene separert av skilleveggen og derved tilveiebringe for regulering av den endelige grenseflategeometrien innenfor den fremtredende ingoten. Den buelinjeformede veggen kan også tjene til å danne ingoter med lag som har spesifikke geometrier som kan rulles med mindre svinn. Skilleveggen mellom tilgrensende fødekammerpar kan gjøres fleksible og kan justeres for å sikre at grenseflaten mellom de to legeringslagene i det endelige støpte og rullede produktet er rett uavhengig av de brukte legeringene og er rett selv i oppstartseksjonen.

Det er videre beskrevet heri en apparatur for støping av metallingotkompositter, omfattende en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende og en bunnblokk som kan passe innenfor utgangsenden og bevege seg langsmed aksen av støpeformen. Fødenden av støpeformen er delt opp i minst to separate fødekamre, hvor hvert fødekammer er tilgrenset minst ett annet fødekammer og hvor de tilgrensende fødekamrene er separert ved en skillevegg. Skilleveggen er fleksibel, og en posisjoneringsanordning er vedheftet skilleveggen slik at veggkurvaturen i støpeformsplanet kan varieres med en forutbestemt mengde under drift.

Det er videre beskrevet heri en fremgangsmåte for støping av et metallingotkompositt som omfatter minst to forskjellige legeringer, som omfatter tilveiebringelse av en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende og måter for å dele fødeenden i minst to separate fødekamre, hvor hvert fødekammer er tilgrensende minst et annet fødekammer. For tilgrensende fødekammerpar fødes en første strøm og en første legering gjennom en av de tilgrensende fødekamrene inn i støpeformen, og en andre strøm av en andre legering fødes gjennom en annen av de tilgrensende fødekamrene. En fleksibel skillevegg er tilveiebrakt mellom tilstøtende fødekamre og kurvaturen på den fleksible skilleveggen justeres under støpingen for å regulere formen på grenseflaten hvor legeringene føres sammen som to lag. De sammenføyde legeringslagene blir deretter nedkjølt for å danne en ingotkompositt.

Metallføden krever omhyggelig nivåkontroll og en slik fremgangsmåte er å tilveiebringe en langsom strømning av gass, fortrinnsvis inert, gjennom et rør med en åpning på et bestemt punkt med hensyn til legemet til den annulære støpeformen. Åpningen er under bruk neddykket under overflaten av metallet i støpeformen, gasstrykket måles og det metallostatiske trykket over røråpningen blir dermed bestemt. Det målte trykket kan derfor brukes til å direkte kontrollere metallstrømningen inn i støpeformen slik at den øverste overflaten av metallet opprettholdes på et konstant nivå.

Det er videre beskrevet heri en fremgangsmåte for støping av en metallingot som omfatter tilveiebringelse av en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende, og som føder en strøm av smeltet metall inn i fødeenden av nevnte støpeform for å danne et metallbasseng innenfor nevnte støpeform som har en overflate. Enden av gassleveranserøret er neddykket inn i metallbassenget fra fødeenden av støpeformsrøret ved en forutbestemt posisjon med hensyn til støpeformslegemet og en inert gass bobles gjennom gassleveranserøret ved en tilstrekkelig lav rate til å holde røret frostfritt. Gasstrykket innenfor det nevnte røret måles for å bestemme posisjonen av den smeltede metalloverflaten med hensyn til støpeformslegemet.

Det er videre beskrevet heri en apparatur for støping av en metallingot som omfatter en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende og en bunnblokk som passer inn i utgangsenden og er bevegbar langsmed aksen av støpeformen. En metallstrømningsreguleringsanordning er tilveiebrakt for å regulere raten ved hvilken metallet kan strømme inn i støpeformen fra en ekstern kilde, og en metallnivåføler er også tilveiebrakt omfattende et gassleveranserør vedheftet en gasskilde ved hjelp av en gasstrømningsregulator og som har en åpen ende posisjonert ved en forutbestemt lokasjon under fødeenden i støpeformen, slik at under bruk vil normalt den åpne rørenden ligge under metallnivået i støpeformen. Det tilveiebringes også en måte for å måle gasstrykket i gassleveranserøret mellom strømningsregulatoren og den åpne enden av gassleveranserøret, det målte gasstrykket tilpasses for å regulere metallstrømningsreguleringsanordningen for å opprettholde metallet inn i hvilket den åpne enden av gassleveranserøret plasseres på et forutbestemt nivå.

Denne fremgangsmåten og apparaturen for å måle metallnivået er spesielt nyttig i måling og regulering av metallnivå i et avgrenset rom slik som i noen eller alle fødekamrene i en multikammerstøpeformdesign. Den kan brukes sammen med andre metallnivåreguleringssystemer som bruker flottører eller tilsvarende overflateposisjonsmonitorer, hvor for eksempel et gassrør brukes i mindre fødekamre og et fødereguleringssystem basert på en flottør eller lignende anordning i de store fødekamrene.

I en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for støping av en ingotkompositt som har to lag med forskjellige legeringer, hvor en legering danner et lag på den brede eller ”rullende” flaten på et rektangulært tverrsnittsingot dannet fra en annen legering. For denne fremgangsmåten er det tilveiebrakt en annulær støpeform med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende og måter for å dele opp fødeenden inn i separate tilgrensende fødekamre separert ved en temperaturregulert skillevegg. Den første strømmen av en første legering fødes gjennom en av fødekamrene inn i støpeformen og en andre strøm av en andre legering fødes gjennom en annen av fødekamrene, idet denne andre legeringen har en lavere likvidustemperatur enn den første legeringen. Den første legeringen kjøles ned ved en temperaturregulert skillevegg for å danne en selvforstøttende overflate som strekker seg under den nedre enden av skilleveggen og den andre legeringen bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen ved en lokasjon hvor temperaturen på den selvforstøttende overflaten opprettholdes mellom solidusog likvidustemperaturen for den første legeringen, hvormed de to legeringsstrømmene føres sammen som to lag. De sammenføyde legeringslagene blir deretter nedkjølt for å danne en ingotkompositt.

I en annen foretrukket utførelse er de to kamrene konfigurert slik at det ytre kammeret fullstendig omslutter det indre kammeret hvormed en ingot dannes som har et lag av en legering fullstendig omsluttende en kjerne av en andre legering.

En foretrukket utførelse inkluderer to sideveis fordelte temperaturregulerte skillevegger som danner tre fødekamre. Således er det et sentralt fødekammer med en skillevegg på hver side og et par ytre fødekamre på hver side av det sentrale fødekammeret. En strøm av den første legeringen kan fødes gjennom det sentrale fødekammeret, med strømmer av den andre legeringen fødende inn i de to sidekamrene. Et slikt arrangement blir typisk brukt for tilveiebringelse av to kledningslag på et sentralt kjernemateriale.

Det er også mulig å reversere fremgangsmåten slik at strømmer av den første legeringen fødes gjennom sidekamrene mens en strøm av den andre legeringen fødes gjennom det sentrale kammeret. Med dette arrangementet startes støpingen i sidefødekamrene idet den andre legeringen blir fødet gjennom det sentrale kammeret og brakt i kontakt med det første legeringsparet umiddelbart under skilleveggene.

Tverrsnittsformen på ingoten kan være en hvilken som helst hensiktsmessig form (for eksempel sirkulær, kvadratisk, rektangulær eller en annen regulær eller irregulær form) og tverrsnittsformene for de individuelle lagene kan også variere innenfor ingoten.

Det er videre beskrevet heri et støpeingotprodukt som består av en forlenget ingot som omfatter, i tverrsnitt, to eller flere legeringslag av forskjellig sammensetning, hvori grenseflaten mellom tilgrensende legeringslag er i formen av en vesentlig kontinuerlig metallurgisk sammenføyning. Denne sammenføyningen er karakterisert ved nærværet av dispergerte partikler av én eller flere intermetalliske sammensetninger av den første legeringen i et område av den andre legeringen tilgrensende grenseflaten. Generelt i den foreliggende oppfinnelsen er den første legeringen den i hvilken en selvforstøttende overflate først dannes og den andre legeringen bringes i kontakt med denne overflaten mens overflatetemperaturen er mellom solidus- og likvidustemperaturen for den første legeringen, eller grenseflaten blir deretter gjenoppvarmet til en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturen for den første legeringen. De dispergerte partiklene er fortrinnsvis mindre enn omtrent 20 μm i diameter og finnes i et område på opptil omtrent 200 μm fra grenseflaten.

Sammenføyningen kan videre karakteriseres ved nærværet av utfellinger eller utsondinger av én eller flere intermetalliske sammensetninger av den første legeringen som strekker seg fra grenseflaten inn i den andre legeringen i området tilgrensende grenseflaten. Dette trekket blir særlig dannet når temperaturen på den selvforstøttende overflaten ikke er blitt redusert under solidustemperaturen før kontakt med den andre legeringen.

Utfellingene eller utsondringene penetrerer fortrinnsvis mindre enn omtrent 100 μm inn i den andre legeringen fra grenseflaten.

Hvor de intermetalliske sammensetningene av den første legeringen er dispergerte eller eksudert inn i den andre legeringen, blir det igjen i den første legeringen, tilgrensende til grenseflaten mellom den første og den andre legeringen, et lag som inneholder en redusert mengde av de intermetalliske partiklene og som deretter kan danne et lag som er mer edelt enn den første legeringen og kan påføre korrusjonsmotstand på det pletterte materialet.

Dette laget er typisk 4 til 8 mm tykt.

Denne sammenføyningen kan videre karakteriseres ved nærværet av et diffust lag av legeringskomponenter av den første legeringen i det andre legeringslaget tilgrensende grenseflaten. Dette trekket blir spesielt dannet i de tilfeller hvor overflaten av den første legeringen blir nedkjølt til under solidustemperaturen for den første legeringen og deretter blir grenseflaten mellom den første og den andre legeringen gjenoppvarmet til en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturene.

Selv om det ikke er ønskelig å være bundet av en teori, er det antatt at nærværet av disse trekkene er forårsaket ved dannelsen av segregater av intermetalliske forbindelser av den første legeringen ved den selvforstøttende overflaten dannet på den med deres etterfølgende spredning eller eksudasjon inn i den andre legeringen etter at den er brakt i kontakt med overflaten. Eksudering av intermetalliske forbindelser assisteres ved spredningskrefter til stede på grenseflaten.

Et videre trekk ved grenseflaten mellom lagene dannet ved fremgangsmåtene ved denne oppfinnelsen er nærværet av legeringskomponenter fra den andre legeringen mellom korngrensene for den første legeringen umiddelbart tilgrensende grenseflaten mellom de to legeringene. Det er antatt at disse oppstår når den andre legeringen (fortsatt generelt over dens likvidustemperatur) kommer i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen (ved en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturen av den første legeringen). Under disse spesifikke forholdene kan legeringskomponenten av den andre legeringen diffundere en kort avstand (typisk omtrent 50 μm) langsmed de fortsatt flytende korngrensene, men ikke inn i kornene som allerede er dannet på overflaten av den første legeringen. Dersom grenseflatetemperaturen er over likvidustemperaturen for begge legeringene, vil generell blanding av legeringene skje, og komponentene i den andre legeringen vil bli funnet innenfor kornene så vel som korngrensene. Dersom grenseflatetemperaturen er under solidustemperaturen for den første legeringen, vil det ikke være anledning for korngrensediffusjon.

De spesifikke grenseflatetrekkene beskrevet er spesifikke trekk forårsaket ved faststoffdiffusjon eller diffusjon eller bevegelse av grunnstoffer langsmed begrensede ruter for væske og påvirker ikke den generelt distinkte naturen ved grenseflaten som helhet.

Uavhengig av hvordan grenseflaten dannes, tilveiebringer den unike strukturen ved grenseflaten en sterk metallurgisk sammenføyning ved grenseflaten og lager derfor strukturer passende for rulling på ark uten problemer assosiert med delaminering eller grenseflatekontaminasjon.

Det er videre beskrevet heri en metallingotkompositt, omfattende minst to lag av metall, hvori tilgrensende lagpar dannes ved å bringe i kontakt det andre metallaget på overflaten av det første metallaget slik at når det andre metallaget først bringes i kontakt med overflaten på det første metallaget, er overflaten på det første metallaget ved en temperatur mellom dens likvidus- og solidustemperatur og temperaturen på det andre metallaget er over dens likvidustemperatur. Fortrinnsvis er de to metallagene komponert av forskjellige legeringer.

Tilsvarende og videre beskrevet heri er en metallingotkompositt omfattende minst to lag metall, hvori tilstøtende lagpar dannes ved å bringe i kontakt det andre metallaget til overflaten av det første metallaget slik at når det andre metallaget først bringes i kontakt med overflaten på det første metallaget, er overflaten på det første metallaget ved en temperatur under dens solidustemperatur og temperaturen på det andre metallaget er over dens likvidustemperatur, og grenseflaten dannet mellom de to metallagene blir deretter gjenoppvarmet til en temperatur mellom solidus- og likvidustemperaturen for den første legeringen. Fortrinnsvis er de to metallagene satt sammen av forskjellige legeringer.

Det er videre beskrevet heri at ingoten foretrukket er rektangulær i tverrsnitt og omfatter en kjerne av den første legeringen og minst et overflatelag av den andre legeringen, idet overflatelaget anvendes på den lange siden av det rektangulære tverrsnittet. Denne metallingotkompositten er fortrinnsvis varm- og kaldrullet for å danne et metallkomposittark.

Det er videre beskrevet heri at legeringen særlig foretrukket er av en kjerne en aluminium-mangan-legering og overflatelegeringen er en aluminium-silikon-legering. En slik ingotkompositt blir varm- og kaldrullet for å danne et metallkompositt-hardloddingsark som kan utsettes for en hardloddingsoperasjon for å lage en korrosjonsresistent hardloddet struktur.

Det er videre beskrevet heri at legeringskjernen særskilt foretrukket er en skrotet aluminiumslegering og overflatelegeringen en ren aluminiumslegering. Når slike ingotkompositter blir varm- og kaldrullet for å danne et metallkomposittark, tilveiebringer de resirkulerte produkter som har forbedrede egenskaper i forhold til korrosjonsmotstand, evne til overflateavslutning, osv. I den foreliggende konteksten er en ren aluminiumslegering en aluminiumslegering som har en termisk konduktivitet større enn 190 Watt/m/K og et størkingsområde på mindre enn 50 ºC.

Det er videre beskrevet heri at i legeringskjernen særskilt foretrukket er en høystyrkelegering som ikke kan behandles med varme (slik som en Al-Mg-legering) og overflatelegeringen er en loddbar legering (slik som en Al-Si-legering). Når slike ingotkompositter blir varm- og kaldrullet for å danne et metallkomposittark, kan de utsettes for en formingsoperasjon og brukes til autobevegelige strukturer som deretter kan loddes eller sammenføyes tilsvarende.

Det er videre beskrevet heri at aluminiumskjernen særskilt foretrukket er en høystyrkelegering som kan behandles med varme (slik som en 2xxx-legering) og overflatelegeringen er en ren aluminiumslegering. Når slike ingotkompositter blir varm- og kaldrullet, danner de metallkomposittark passende for luftfartøystrukturer. Den rene legeringen kan velges for korrosjonsmotstand eller overflateavslutning og skulle fortrinnsvis ha en solidustemperatur større enn solidustemperaturen for kjernelegeringen.

Det er videre beskrevet heri at legeringskjernen særskilt foretrukket er en mediumstyrkelegering som kan behandles med varme (slik som en Al-Mg-Si-legering) og overflatelegeringen er en ren aluminiumslegering. Når slike ingotkompositter blir varm- og kaldrullet, danner de et metallkomposittark passende for autobevegelige avslutninger. Den rene legeringen kan velges for korrosjonsmotstand eller overflateavslutning og skulle fortrinnsvis ha en solidustemperatur større enn solidustemperaturen for kjernelegeringen.

Det er videre beskrevet heri at ingoten foretrukket er sylindrisk i tverrsnitt og omfatter en kjerne av en første legering og et konsentrisk overflatelag av den andre legeringen. Det er videre beskrevet heri at ingoten foretrukket er rektangulær eller kvadratisk i tverrsnitt og omfatter en kjerne av den andre legeringen og et annulært overflatelag av den første legeringen.

Kort beskrivelse av tegningene

I tegningene som illustrerer visse foretrukne utførelser av denne oppfinnelsen er:

fig. 1 et oppriss i delseksjon som viser en enkel skillevegg,

fig. 2 en skjematisk illustrasjon av kontakten mellom legeringene,

fig. 3 et oppriss i delseksjon tilsvarende fig. 1, men som viser et par skillevegger,

fig. 4 et oppriss i delseksjon tilsvarende fig. 3, men med den andre legeringen med en lavere likvidustemperatur enn den første legeringen som fødes inn i sentralkammeret,

figurene 5a, 5b og 5c et planriss som viser noen alternative arrangementer av fødekammeret som kan brukes med den foreliggende oppfinnelsen,

fig. 6 et forstørret riss i delseksjon av en del av fig. 1 som viser et kurvaturreguleringssystem,

fig. 7 et planriss av en støpeform som viser effektene av variabel kurvatur på skilleveggen,

fig. 8 et forstørret riss av en del av fig. 1 som illustrerer en konisk skillevegg mellom legeringene,

fig. 9 et planriss av en støpeform som viser en særskilt foretrukket konfigurasjon av en skillevegg,

fig. 10 et skjematisk riss som viser metallnivåreguleringssystemet,

fig. 11 et perspektivriss av et fødesystem for et av fødekamrene,

Fig. 12 et planriss av en støpeform som viser en annen foretrukket konfigurasjon av skilleveggen,

fig. 13 et mikrofotografi av en seksjon gjennom sammenføyningsflate gjennom et par tilgrensende legeringer ved bruk av fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelsen som viser dannelsen av intermetalliske partikler i den motsatte legeringen,

fig. 14 et mikrofotografi av en seksjon gjennom den samme sammenføyningsflaten som i fig. 13 som viser dannelsen av intermetalliske utfellinger (plumes) eller utsondringer,

fig. 15 et mikrofotografi av en seksjon gjennom sammenføyningsflaten mellom et par tilgrensende legeringer fremstilt under betingelser utenfor omfanget av den foreliggende oppfinnelsen,

fig. 16 et mikrofotografi av en seksjon gjennom sammenføyningsflaten mellom et pletteringslegeringslag og en støpekjernelegering ved bruk av fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelsen,

fig. 17 et mikrofotografi av en seksjon gjennom sammenføyningsflaten mellom et pletteringslegeringslag og en støpekjernelegering ved bruk av fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelsen, og illustrerer nærværet av komponenter av kjernelegeringen kun langsmed korngrenser for pletteringslegeringen ved sammenføyningsflaten,

fig. 18 et mikrofotografi av en seksjon gjennom sammenføyningsflaten mellom et pletteringslegeringslag og en støpekjernelegering ved bruk av fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelsen, og illustrerer nærværet av diffunderte legeringskomponenter som i figur 17, og

fig. 19 et mikrofotografi av en seksjon gjennom sammenføyningsflaten mellom et pletteringslegeringslag og en støpekjernelegering ved bruk av fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelsen, og illustrerer nærværet av diffunderte legeringskomponenter som i figur 17.

Beste måte for utførelse av oppfinnelsen

Med referanse til fig. 1 har en rektangulær støpeformsammenstilling 10 støpeformvegger 11 som danner del av en vannkappe 12, fra hvilken en strøm av kjølevann 13 fordeles.

Fødedelen av støpeformen er delt opp med en skillevegg 14 i to fødekamre. En smeltet metalleveranse gjennom 30 og leveransedyse 15 utstyrt med et justerbart spjeld 32 føder en første legering inn i et fødekammer og en andre metalleveranse gjennom 24 utstyrt med en sidekanal, idet leveransedyse 16 og det justerbare spjeldet 31 føder en andre legering inn i et andre fødekammer. De justerbare spjeldene 31, 32 justeres enten manuelt eller i respons til et kontrollsignal for å justere strømmen av metall inn i de respektive fødekamrene. En vertikal bevegbar bunnblokkenhet 17 støtter den embryoniske ingotkompositten som dannes og passer inn i utløpsenden av støpeformen før støping begynner og deretter senkes for å tillate dannelse av ingoten.

Som vist mer tydelig med referanse til figur 2 i det første fødekammeret, nedkjøles legemet av smeltet metall 18 gradvis slik at det dannes en selvforstøttende overflate 27 tilgrensende den nedre enden av skilleveggen og deretter danner en sone 19 som er mellom flytende og fast stoff og blir ofte referert til som en grøtaktig sone. Under denne grøtaktige eller semi-faste sonen er det en fast metallegering 20. Inn i det andre fødekammeret fødes en andre flytende legeringsstrømning 21 som har en lavere likvidustemperatur enn den første legeringen 18. Dette metallet danner også en grøtaktig sone 22 og til slutt en fast del 23.

Den selvforstøttende overflaten 27 gjennomgår typisk en svak kontraksjon etter hvert som metallet løsner fra skilleveggen 14, deretter en svak ekspansjon grunnet spredningskreftene forårsaket for eksempel av det metallstatiske trykket av metallet 18 som kommer som vekt. Den selvforstøttende overflaten har tilstrekkelig styrke for å motstå slike krefter selv om overflatetemperaturen kan være over solidustemperaturen for metallet 18. Et oksidlag på overflaten kan bidra til denne kraftbalansen.

Temperaturen i skilleveggen 14 opprettholdes ved en forutbestemt måltemperatur ved hjelp av et temperaturregulerende fluid som går gjennom en lukket kanal 33 som har et innløp 36 og et utløp 37 for levering og fjerning av temperatur-reguleringsfluidet som ekstraherer varme fra skilleveggen slik at det dannes en nedkjølt grenseflate som tjener til å regulere temperaturen på den selvforstøttende overflaten 27 under den nedre enden av skilleveggen 35. Den øvre overflaten 34 av metallet 21 i det andre kammeret blir deretter opprettholdt på en posisjon under den nedre kanten 35 av skilleveggen 14 og samtidig opprettholdes temperaturen på den selvforstøttende overflaten 27 slik at overflaten 34 av metallet bringes i kontakt med denne selvforstøttende overflaten 27 ved et punkt hvor temperaturen i overflaten 27 ligger mellom solidus- og likvidustemperaturen for metallet 18. Typisk reguleres overflaten 34 ved et punkt noe under den nedre kanten 35 av skilleveggen 14, generelt innenfor omtrent 2 til 20 mm fra den nedre kanten. Grenseflatelaget som således dannes mellom de to legeringsstrømmene ved dette punktet danner en svært sterk metallurgisk sammenføyning mellom de to lagene uten massiv blanding av de to legeringene.

Kjølemiddelstrømmen (og temperaturen) påkrevd for å etablere temperaturen for den selvforstøttende overflaten 27 av metallet 18 innenfor det ønskede området bestemmes generelt empirisk ved bruk av små termoelementer som er nedsenket i overflaten 27 på metallingoten etter hvert som den dannes og en gang etablert for en gitt sammensetning og støpetemperatur for metall 18 (støpetemperaturen er den temperaturen ved hvilken metallet 18 leveres til innløpsenden av fødekammeret) danner del av støpepraksisen for en slik legering. Det har spesielt blitt funnet at ved en fast kjølemiddelstrømning gjennom kanal 33, er det god korrelasjon mellom temperaturen på kjølemiddelet som går ut av skilleveggkjølemiddelkanalen målt ved utløpet 37 med temperaturen i den selvforstøttende overflaten av metallet ved forutbestemte lokasjoner under bunnkanten av skilleveggen, og således tilveiebringer en enkel og effektiv måte for å regulere denne kritiske temperaturen ved å fremskaffe en temperaturmålingsanordning slik som et termoelement eller termistor 40 i utløpet av kjølemiddelkanalen.

Fig. 3 er vesentlig den samme støpeformen som i fig. 1, men i dette tilfellet brukes et par skillevegger 14 og 14a som deler støpeformmunningen inn i tre fødekamre. Det er et sentralt kammer for den første metallegeringen og et par ytre fødekamre for den andre metallegeringen. De ytre fødekamrene kan tilpasses for et andre og en tredje metallegering, i hvilke tilfeller de nedre endene av skilleveggene 14 og 14a kan være posisjonert forskjellig og temperaturreguleringen kan være forskjellig for de to skilleveggene, avhengig av de særskilte kravene for støping og dannelse av sterkt sammenføyde grenseflater mellom den første og andre legeringen og mellom den første og tredje legeringen.

Som vist i fig. 4 er det også mulig å reversere legeringene slik at den første legeringsstrømmen fødes inn i de ytre fødekamrene og en andre legeringsstrøm fødes inn i det sentrale fødekammeret.

Fig. 5 viser flere mer komplekse kammerarrangementer i planbetraktning. I hvert av disse arrangementene er det en ytre vegg 11 vist for formen og de indre skilleveggene 14 som separerer de individuelle kamrene. Hver skillevegg 14 mellom tilgrensende kamre må være posisjonert og termisk regulert slik at betingelsene for støping beskrevet heri opprettholdes. Dette betyr at skilleveggene kan strekke seg nedover fra innløpet av støpeformen og terminere ved forskjellige posisjoner og kan reguleres ved forskjellige temperaturer og metallnivået i hvert kammer kan kontrolleres ved forskjellige nivåer i samsvar med kravene for støpepraksis.

Det er fordelaktig å gjøre skilleveggen 14 fleksibel eller i stand til å ha variabel kurvatur i planet for støpeformen som vist i figurene 6 og 7. Kurvaturen blir normalt endret mellom oppstartsposisjon 14’ og stabil tilstandsposisjon 14 slik at det opprettholdes en konstant grenseflate i hele støpen. Dette oppnås ved hjelp av en arm 25 vedheftet den ene enden av toppen av skilleveggen 14 og drevet i en horisontal retning ved en lineær aktuator 26. Dersom det er nødvendig, vil aktuatoren være beskyttet av et varmeskjold 42.

De termiske egenskapene ved legeringene kan variere betraktelig og mengden og graden av variasjon i kurvaturen er forutbestemt basert på legeringene valgt for de forskjellige lagene i ingoten. Generelt blir disse bestemt empirisk som del av støpepraksisen for et spesielt produkt.

Som vist i fig. 8 kan skilleveggen 14 også være konisk 43 i den vertikale retningen på siden av metallet 18. Denne konen kan variere langsmed lengden av skilleveggen 14 for videre å regulere formen på grenseflaten mellom tilgrensende legeringslag. Konen kan også brukes på den ytre veggen 11 i støpeformen. Denne konen eller formen kan etableres ved bruk av bjelker, for eksempel som beskrevet i US 6260602 (Wagstaff) og vil igjen være avhengig av legeringene valgt for de tilgrensende lag.

Skilleveggen 14 er fremstilt fra metall (stål eller aluminium for eksempel) og kan delvis lages fra grafitt, for eksempel ved bruk av en grafittinnsetning 46 på den koniske overflaten. Oljetilførselskanaler 48 og furer 47 kan også brukes for å tilveiebringe lubrikanter eller oppdelingsstoffer. Selvfølgelig kan tilsetninger og oljeleveransekonfigurasjoner brukes på de ytre veggene på en måte som er kjent i teknikken.

En særskilt foretrukket skillevegg er vist i fig. 9.

Skilleveggen 14 strekker seg vesentlig parallelt med støpeformveggen 11 langsmed én eller begge (rulle)flater av et rektangulært tverrsnittingot. Nær endene av støpeformens langsider har skilleveggen 14 90 ºC bøy 45 og termineres ved lokasjoner 50 på langveggen 11 fremfor å strekke seg fullt ut på kortveggene. Den pletterte ingotstøpen med en slik skillevegg kan rulles for å bedre opprettholde formen for pletteringen over bredden av arket som forekommer i mer konvensjonelle rullepletteringsprosesser. Konusen beskrevet i figur 8 kan også anvendes til dette designet, hvor for eksempel en høy grad av konuser kan brukes ved den buede overflate 45 og en middels grad av konus på en rett seksjon 44.

Figur 10 viser en fremgangsmåte for å regulere metallnivået i en støpeform som kan brukes i en hvilken som helst støpeform, enten det har lagvise støpeingoter eller ikke, men er særskilt nyttig for å regulere metallnivået i avgrensede rom som man kan møte i noen metallkamre i støpeformer for støping av flere flerlagsingoter. En gassforsyning 51 (typisk en sylinder av inertgass) vedheftes strømningsregulatoren 52 slik at den leverer en liten strøm gass til et gassleveranserør med en åpen ende 53 som posisjoneres ved en referanselokasjon 54 innenfor støpeformen. Den indre diameteren på gassforsyningsrøret ved dens utgang er typisk mellom 3 til 5 mm.

Referanselokasjonen velges slik at den er under toppoverflaten av metallet 55 under støpeoperasjonen, og denne referanselokasjonen kan variere avhengig av kravene for støpepraksisen.

En trykktransduser 56 vedheftes gassforsyningsrøret ved et punkt mellom strømningsreguleratoren og den åpne enden slik at tilbaketrykket av gassen i røret måles. Denne trykktransduseren 56 gir tilbake et signal som kan sammenlignes med et referansesignal for å regulere strømningen av metall som går inn i kammeret ved metoder kjente for fagmannen. For eksempel kan en justerbar ildfast stopper 57 i et ildfast rør 58 fødet fra en metalleveranse gjennom 59 brukes. Ved bruk justeres gasstrømningen til et litt lavt nivå akkurat tilstrekkelig for å opprettholde åpningen på enden av gassforsyningsrøret. Et stykke ildfast fiber innsatt i den åpne enden av gassforsyningsrøret brukes for å dempe trykkfluktuasjoner forårsaket av bobledannelse. Det målte trykket bestemmer deretter neddykningsgraden for den åpne enden av gassforsyningsrøret under overflaten av metallet i kammeret og således nivået på metalloverflaten med hensyn til referanselokasjonen og strømningsraten for metallet inn i kammeret blir derfor regulert for å opprettholde metalloverflaten på en forutbestemt posisjon med hensyn til referanselokasjonen.

Strømningsregulatoren og trykktransduseren er anordninger som er alminnelig tilgjengelige anordninger. Det er imidlertid særskilt foretrukket at strømningsregulatoren er i stand til å gi pålitelig strømningsregulering i området 5 til 10 cc/minutt gasstrøm. En trykktransduser i stand til å måle trykk til omtrent 0,1 psi (0,689 kPa) tilveiebringer et godt mål på metallnivåreguleringen (til innenfor 1 mm) i den foreliggende oppfinnelsen og kombinasjonen tilveiebringer god regulering selv i betraktning av noe fluktuasjoner i trykket forårsaket av den langsomme boblingen gjennom den åpne enden av gassforsyningsrøret.

Figur 11 viser et perspektivriss av en del av toppen av støpeformen ved den foreliggende oppfinnelsen. Et fødesystem for ett av metallkamrene er vist, særskilt passende for å føde metallet inn i et trangt fødekammer som kan brukes for å produsere en pletteringsoverflate på en ingot. I dette fødesystemet er en kanal 60 tilveiebrakt tilgrensende fødekammeret som har flere mindre nedadgående tuter 61 forbundet til den som ender under overflaten på metallet. Fordelingsbager 62 laget av ildfast stoff på måter kjent i teknikken, installeres rundt utløpet for hver nedadgående tut 61 for å forbedre ensartetheten i metallfordelingen og temperaturen. Kanalen fødes i sin tur fra en gjennomgang 68 i hvilken en enkel nedadgående tut 69 strekker seg inn i metallet i kanalen og i hvilken det settes inn en strømningsreguleringsstopper (ikke vist) av konvensjonell design. Kanalen posisjoneres og settes i nivå slik at metallet strømmer ensartet til alle lokasjoner.

Figur 12 viser et ytterligere foretrukket arrangement av skillevegger 14 for støping av en rektangulær tverrsnittsingotplettering på to flater. Skilleveggene har endret seksjon 44 vesentlig parallelt med støpeformsidevegg 11 langsmed én eller begge lange rulle)-flater av en rektangulær tverrsnittsingot. Imidlertid har i dette tilfellet hver skillevegg buede endedeler 49 som avskjærer den kortere endeveggen i støpeformen ved lokasjonene 41. Dette er igjen nyttig for opprettholdelse av formen på pletteringen over arkets bredde som forekommer i mer konvensjonelle rullepletteringsprosesser. Mens det her er illustrert for plettering på to plater, kan det likeså godt brukes for plettering på en enkel flate av ingoten.

Figur 13 er et mikrofotografi med 15X forstørrelse som viser grenseflaten 80 mellom en Al-Mn-legering 81 (X-904 inneholdende 0,74 vekt% Mn, 0,55 vekt% Mg, 0,3 vekt% Cu, 0,17 vekt%, 0,07 vekt% Si og balansert Al og uunngåelige forurensninger) og en Al-Si-legering 82 (AA4147 inneholdende 12 vekt% Si, 0,19 vekt% Mg og balansert Al og uunngåelige forurensninger) støpt ved betingelsene ved den foreliggende oppfinnelsen. Al-Mn-legeringen hadde en solidustemperatur på 1190 ºF (643 ºC) og en likvidustemperatur på 1215 ºF (657 ºC). Al-Si-legeringen hadde en solidustemperatur på 1070 ºF (576 ºC) og en likvidustemperatur på 1080 ºF (582 ºC). Al-Si-legeringen ble fødet inn i støpeformen slik at den øvre overflaten av metallet ble opprettholdt slik at det ble brakt i kontakt med Al-Mn-legeringen ved en lokasjon hvor en selvforstøttende overflate har blitt etablert på Al-Mnlegeringen, men dens temperatur var mellom solidus- og likvidustemperaturen for Al-Mn-legeringen.

En klar grenseflate er til stede på prøven som ikke indikerer noen blanding av legeringene, men i tillegg er partikler av intermetalliske forbindelser inneholdende Mn 85 synlige i et omtrentlig 200 μm bånd innenfor Al-Silegering 82 tilgrensende grenseflaten 80 mellom Al-Mn- og Al-Si-legeringene. De intermetalliske forbindelsene er hovedsakelig MnAl6og alfa-AlMn.

Figur 14 er et mikrofotografi med forstørring 200X som viser grenseflaten 80 av den samme legeringskombinasjonen som i figur 13 hvor overflatetemperaturen ikke ble tillatt å falle under solidustemperaturen for Al-Mn-legeringen før Al-Si-legeringen som ble brakt i kontakt med den. En utfelling (plume) eller en utsondring 88 observeres å strekke seg ut fra grenseflaten 80 inn i Al-Si-legeringen 82 fra Al-Mn-legeringen 81 og utfellingen (plume) eller utsondringen har en intermetallisk sammensetning inneholdende Mn som er tilsvarende det for partikler i figur 13. Utfellingene (plumes) eller utsondringene strekker seg typisk opp til 100 μm inn i nabometallet. Den resulterende sammenføyningen mellom legeringene er en sterk metallurgisk sammenføyning. Partikler av intermetalliske forbindelser som inneholder Mn 85 er også synlige i dette mikrofotografiet og har en størrelse typisk opptil 20 μm.

Figur 15 er et mikrofotografi (forstørret 300 ganger) som viser grenseflaten mellom en Al-Mn-legering (AA3003) og en Al-Si-legering (AA4147), men hvor Al-Mn selvforstøttende overflate ble nedkjølt mer enn omtrent 5 ºC under solidustemperaturen for Al-Mn-legeringen, ved hvilket punkt den øvre overflaten av Al-Si-legeringen ble brakt i kontakt med den selvforstøttende overflaten av Al-Mn-legeringen. Sammenføyningslinjen 90 mellom legeringene er klart synlige og indikerer at en dårlig metallurgisk sammenføyning dermed ble dannet. Det er også fravær av utsondringer eller dispergerte intermetalliske sammensetninger av den første legeringen i den andre legeringen.

En rekke legeringskombinasjoner ble støpt i samsvar med fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelsen.

Betingelsene ble justert slik at den første legeringsoverflatetemperaturen var mellom dens solidus- og likvidustemperatur ved den øvre overflaten av den andre legeringen. I alle tilfeller ble legeringene støpt i ingoter 690 mm x 1590 mm og 3 meter lange og deretter prosessert ved konvensjonell forvarming, varmerulling og kaldrulling. Legeringskombinasjonsstøpene er gitt i tabell 1 under. Ved bruk av konvensjonell terminologi er ”kjernen” det tykkere støttende laget i en to-legeringskompositt og ”pletteringen” er overflatefunksjonslaget. I tabellen er første legering den legeringen som ble støpt først og andre legering er den legeringen som ble brakt i kontakt med den

5 selvforstøttende overflaten av den første legeringen.

TABELL 1

I hvert av disse eksemplene var pletteringen den første

10 legeringen som størknet og kjernelegeringen ble anvendt på pletteringslegeringen ved et punkt hvor en selvforstøttende overflate hadde blitt dannet, men hvor overflatetemperaturen fortsatt var innenfor L-S-området gitt ovenfor. Dette kan sammenlignes med eksempelet ovenfor

15 for hardloddingsark hvor pletteringslegeringen hadde et lavere smelteområde enn kjernelegeringen, i hvilket tilfelle pletteringslegeringen (den ”andre legeringen”) ble anvendt på den selvforstøttende overflaten av kjernelegeringen (den ”første legeringen”). Mikrografier

20 ble tatt av grenseflaten mellom pletteringen og kjernen i de ovenfor nevnte fire støpene. Mikrografene ble tatt med en forstørrelse på 50 ganger. I hvert bilde fremstår ”pletterings”-laget på venstre side og ”kjerne”-laget på høyre side.

Figur 16 viser grenseflaten av støp #051804 mellom pletteringslegering 0303 og kjernelegering 3104.

Grenseflaten er klar fra endringen i kornstrukturen i passering fra pletteringsmaterialet til den relativt mer legerte kjernelaget.

Figur 17 viser grenseflaten av støp #030826 mellom pletteringslegering 1200 og kjernelegering 2124.

Grenseflaten mellom lagene er vist ved den stiplede linjen 94 i figuren. I denne figuren er nærværet av legeringskomponentene i 2124-legeringen til stede i korngrensene for 1200-legeringen innenfor en kort avstand til grenseflaten. Dette fremstår som fordelte ”fingre” av materiale i figuren, én av hvilke er illustrert med henvisningstallet 95. Det kan ses at 2124-legeringskomponentene strekker seg i en avstand på omtrent 50 μm, som typisk tilsvarer et enkelt korn av 1200-legeringen under disse forholdene.

Figur 18 viser grenseflaten av støp #031013 mellom pletteringslegering 0505 og kjernelegering 6082 og figur 19 viser grenseflaten av støp #030827 mellom pletteringslegering 1050 og kjernelegering 6111. I hver av disse figurene er nærværet av legeringskomponentene i kjernelegeringen synlige i korngrensene for pletteringslegeringen umiddelbart tilgrensende

grenseflaten.

Claims (8)

P A T E N T K R A V

1. Fremgangsmåte for støpingen av en metallkomposittingot (20) omfattende minst to lag dannet av én eller flere legeringssammensetninger, som omfatter tilveiebringelse av en ringformet støpeform (10) med åpen ende som har en fødeende og en utgangsende hvori smeltet metall tilsettes fødeenden og en størknet ingot ekstraheres fra utgangsenden, og temperatur-regulerte skillevegger (14) for å dele opp fødeenden i minst to separate fødekamre, idet skilleveggene terminerer ovenfor utgangsenden av nevnte støpeform, med hvert fødekammer tilgrensende minst ett annet fødekammer, hvori for hvert tilgrensende fødekammerpar fødes en første strøm av en første legering inn i fødekammerparet for å danne et metallbasseng i det første kammeret og en andre strøm av en andre legering fødes gjennom det andre fødekammerparet for å danne et metallbasseng i det andre kammeret, idet hvert av metallbassengene har en øvre overflate, idet det første legeringsbassenget bringes i kontakt med skilleveggen mellom kammerparet for derved å kjøle ned det første legeringsbassenget for å danne en selvforstøttende overflate tilgrensende skilleveggen, og tillate det andre legeringsbassenget å komme i kontakt med det første legeringsbassenget; og

karakterisert ved at det andre legeringsbassenget først bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten av det første legeringsbassenget ved et punkt hvor temperaturen av den selvforstøttende overflaten er mellom solidus- og likvidustemperaturen av den første legeringen, idet temperaturen av den andre legeringen, når den først er i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen, er større enn eller lik likvidustemperaturen av den andre legeringen og ved å opprettholde den øvre overflaten av det andre legeringsbassenget ved en posisjon under bunnkanten av den tilstøtende skilleveggen hvormed de to legeringsbassengene føres sammen som to lag og kjøler ned de sammenførte legeringslagene for å danne en komposittingot.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori den øvre overflaten av det andre legeringsbassenget opprettholdes ikke mindre enn omtrent 2 mm under bunnkanten av skilleveggen men ikke mer enn 20 mm under bunnkanten av skilleveggen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvori den øvre overflaten av den andre legeringen bringes i kontakt med den selvforstøttende overflaten av den første legeringen ved en posisjon hvor temperaturen i den selvforstøttende overflaten av den første legeringen er mellom solidus- og koherenstemperaturen derav.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3, hvori skilleveggene for å dele opp fødeenden består av temperaturregulerte skillevegger mellom hvert av kammerparene.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori støpeformen har et rektangulært tverrsnitt og omfatter to fødekamre av forskjellige størrelser orientert parallelt med den lange flaten av den rektangulære støpeformen slik at det dannes en rektangulær ingot med plettering på én flate.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvori den første legeringen fødes inn i det største av de to fødekamrene.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5, hvori den andre legeringen fødes inn i det største av de to fødekamrene.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori støpeformen har et rektangulært tverrsnitt og omfatter tre fødekamre orientert parallelt med den lange flaten av den rektangulære støpeformen, hvori sentralkammeret er større enn begge sidekamrene slik at det dannes en rektangulær ingot med plettering på to flater.